一體式雙石英音叉諧振敏感元件及測力模塊的製作方法

2023-12-02 06:19:46

本實用新型涉及一種傳感器檢測領域，特別涉及一種一體式雙石英音叉諧振敏感元件及測力模塊。

背景技術：

石英雙端固定音叉，是一種基於面內彎曲振動模態的力頻諧振器，其結構為兩個固定端之間連接有兩個音叉叉指，構成雙梁音叉結構。由於諧振器的兩根梁以180度的相位差反向振動，使得在振梁連接處的固定端部分產生的力和力矩相互抵消，以減少振動能量的損失，獲得很高的品質因數，不需要特殊的隔振系統，利用石英晶體本身的壓電效應，不需要加額外的裝置，就可以激勵和檢測雙梁的振動頻率。該石英雙端固定音叉，具有直接輸出數位訊號、溫度特性穩定、動態範圍廣、靈敏度高、可以批量生產等優點，廣泛應用於加速度傳感器和陀螺儀的轉換元件中。

當石英雙端固定音叉用作為力傳感器，作為加速度傳感器的轉換元件時，其原理是通過質量結構把被測的加速度轉化為慣性力施加到振動梁上，引起振梁諧振頻率的變化，檢測出該頻率就可以計算出相應的加速度。在實際應用過程中，容易出現的問題是，在高精度需求的戰略導航、地震監測等領域，由於溫度漂移會帶來的測量誤差，石英振梁加速度計的性能還不能達到要求。

為此，現有的方法一般採用溫度補償方式來克服溫度漂移帶來的測量誤差，即將兩個完全相同的石英雙梁諧振器進行反向安裝在中間施力結構上，兩端再分別採用兩個端部底座固定，以構成差動結構的雙石英音叉諧振元件，通過檢測兩彎曲梁的頻率差來減小溫度變化對輸出頻率的影響。其存在的問題是，現有技術一般是將兩個石英雙梁諧振器的每個音叉叉指與中間施力傳動結構採用粘接的方式連接，如採用膠粘劑或玻璃粉等材料進行粘接，由於粘接後的雙石英音叉諧振元件各材料之間線膨脹係數不同，因此各材料間的熱性能不匹配，膠粘劑在溫度變化時發生蠕變和失效，再加上裝配結構較為複雜以及結構應力集中等因素，均直接對該雙石英音叉諧振元件傳感器的精度帶來顯著的影響。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於克服現有技術中所存在的現有雙石英音叉諧振元件的音叉叉指與中間施力傳動結構採用粘接的方式連接，帶來的各材料之間線膨脹係數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變和失效對該諧振元件的精度帶來顯著影響的上述不足，提供一種一體式雙石英音叉諧振敏感元件，同時還提供了一種測力模塊。

為了實現上述實用新型目的，本實用新型提供了以下技術方案：

一種一體式雙石英音叉諧振敏感元件，包括施力結構件，所述施力結構件兩端分別設有第一音叉和第二音叉，所述第一音叉和第二音叉端部均設有便於安裝固定的底座，所述第一音叉包括連接在所述施力結構件和底座之間的第一叉指和第二叉指，所述第二音叉包括連接在所述施力結構件和底座之間的第三叉指和第四叉指，且所述第一叉指、第二叉指、第三叉指、第四叉指對稱分別在所述施力結構件兩端；所述第一叉指、第二叉指、第三叉指和第四叉指表面均塗覆有電極區；所述第一音叉和第二音叉工作在面內彎曲振動模態，諧振頻率對軸向拉應力、壓應力敏感；所述施力結構件、第一音叉、第二音叉和底座均為一體成型石英結構體。

本實用新型所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件，採用施力結構件、第一音叉、第二音叉和底座均為微機工藝一體成型，且為石英結構體，第一音叉和第二音叉對稱設置在施力結構件兩側，形成差動結構，有效解決現有的雙石英音叉諧振元件因分離元件安裝過程無法避免安裝精度和結構與材料間的應力問題，能夠避免不同材料組裝後導致的熱膨脹係數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響。該諧振敏感元件在使用時，只需要通過施力結構件進行力的輸入，引起第一音叉和第二音叉的雙梁變形，可通過頻率檢測電路將第一音叉和第二音叉串聯形成迴路將諧振頻率分別輸出，將外力轉換為電信號，從而完成對力的數位化感應與測量；另外，由於該一體式雙石英音叉諧振敏感元件是通過檢測兩個音叉的諧振頻率差值來得到力的測量，能夠有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和解析度，能夠提高檢測的穩定性，該諧振敏感元件具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高等優點。

優選地，所述第一叉指和第二叉指相互平行設置在施力結構件上，所述第三叉指和第四叉指相互平行設置在施力結構件上，提高檢測精度。

優選地，所述第一叉指和第二叉指之間的槽一長度短於所述第一叉指和第二叉指長度，所述第三叉指和第四叉指之間的槽二長度短於所述第三叉指和第四叉指長度，以獲得該敏感元件的第一叉指和第二叉指滿足性能要求的彎曲剛度，以及第三叉指和第四叉指滿足性能要求的彎曲剛度。

優選地，所述第一叉指和第二叉指的一端通過導電連接線連接，所述第一叉指和第二叉指的另一端分別設置正極接口和負極接口；所述第三叉指和第四叉指的一端通過導電連接線連接，所述第三叉指和第四叉指的另一端分別設置正極接口和負極接口。

在第一叉指一端和第二叉指的一端通過導電連接線連接，並且第一叉指另一端和第二叉指另一端分別連接正極接口和負極接口，第一叉指和第二叉指上均塗覆有電極區，從而第一叉指和第二叉指實現相互串聯，在對第一叉指和第二叉指進行諧振頻率檢測並輸出時，只需要通過頻率檢測電路將正極接口和負極接口連通即可，連接方便可靠，提高了檢測效率。

優選地，連接所述第一叉指和第二叉指的導電連接線設於所述施力結構件上，連接所述第三叉指和第四叉指的導電連接線也設於所述施力結構件上。

優選地，所述第一叉指、第二叉指、所述第三叉指和第四叉指上的所述正極接口和負極接口均設於底座上，且均為金屬薄膜材質接口。

優選地，所述第一叉指、第二叉指、第三叉指和第四叉指的四個表面均塗覆有電極區，且每個表面均塗覆的電極區為間隔分布的正電極區和負電極區，每個叉指相對的兩個表面相對正電極區和負電極區的位置相對分布，每個叉指相鄰的兩個表面的正電極區和負電極區交錯分布；所述第一叉指與第三叉指表面的電極區，以及所述第二叉指和第四叉指表面電極區，相對所述施力結構件均為對稱分布，避免每個叉指的電極區形成短路。

優選地，所述施力結構件上設有便於連接施力槓桿的施力孔，兩個所述底座上設有用於安裝的安裝孔。通過外部的施力槓桿與施力結構件的施力孔適配，完成力傳遞到施力結構件上，進而傳遞給第一音叉和第二音叉。

本實用新型還提供了一種測力模塊，包括載體，所述載體上設有上述的一體式雙石英音叉諧振敏感元件，以及與所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件適配的施力槓桿，所述第一叉指、第二叉指之間電連接有第一電子振蕩迴路和第一頻率採集模塊，所述第三叉指、第四叉指之間電連接有第二電子振蕩迴路和第二頻率採集模塊。

該測力模塊，包括用於安裝一體式雙石英音叉諧振敏感元件的載體，載體上設有施力槓桿，同時，載體上設有電連接第一叉指、第二叉指的第一電子振蕩迴路和第一頻率採集模塊，用於將第一叉指和第二叉指電導通以及輸出第一音叉的諧振頻率，載體上還設有電連接第三叉指、第四叉指的第二電子振蕩迴路和第二頻率採集模塊，用於將第三叉指、第四叉指電導通以及輸出第二音叉的諧振頻率；該測力模塊能夠通過檢測兩個音叉的諧振頻率差值來完成力的感應與測量，有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和解析度，能夠提高檢測的穩定性，該測力模塊具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高的優點。

優選地，所述載體上設有石英板安裝槽，所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件通過石英砂與所述石英板安裝槽燒結在一起。

通過石英砂將一體式雙石英音叉諧振敏感元件於載體燒結在一起，能夠使一體式雙石英音叉諧振敏感元件更加穩固的連接在載體上，使整個測力模塊的材料熱性能更加匹配，避免了通過現有膠粘劑連接而導致的在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，能夠提高測力模塊的檢測精度。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果：

1、本實用新型所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件，採用施力結構件、第一音叉、第二音叉和底座均為微機工藝一體成型，且為石英結構體，第一音叉和第二音叉對稱設置在施力結構件兩側，形成差動結構，有效解決現有的雙石英音叉諧振元件因分離元件安裝過程無法避免安裝精度和結構與材料間的應力問題，能夠避免不同材料組裝後導致的熱膨脹係數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響；該諧振敏感元件在使用時，只需要通過施力結構件進行力的輸入，引起第一音叉和第二音叉的雙梁變形，可通過頻率檢測電路將第一音叉和第二音叉串聯形成迴路將諧振頻率分別輸出，將外力轉換為電信號，從而完成對力的數位化感應與測量；

2、本實用新型所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件，在第一叉指一端和第二叉指的一端通過導電連接線連接，並且第一叉指另一端和第二叉指另一端分別連接正極接口和負極接口，第一叉指和第二叉指上均塗覆有電極區，從而第一叉指和第二叉指實現相互串聯，在對第一叉指和第二叉指進行諧振頻率檢測並輸出時，只需要通過頻率檢測電路將正極接口和負極接口連通即可，連接方便可靠，提高了檢測效率；

3、本實用新型所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件，在施力結構件上設有便於連接施力槓桿的施力孔，通過外部的施力槓桿與施力結構件的施力孔適配，完成力傳遞到施力結構件上，進而傳遞給第一音叉和第二音叉；

4、本實用新型所述一種測力模塊，包括用於安裝一體式雙石英音叉諧振敏感元件的載體，載體上設有施力槓桿，同時，載體上設有電連接第一叉指、第二叉指的第一電子振蕩迴路和第一頻率採集模塊，用於將第一叉指和第二叉指電導通以及輸出第一音叉的諧振頻率，載體上還設有電連接第三叉指、第四叉指的第二電子振蕩迴路和第二頻率採集模塊，用於將第三叉指、第四叉指電導通以及輸出第二音叉的諧振頻率；該測力模塊能夠通過檢測兩個音叉的諧振頻率差值來完成力的感應與測量，有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和解析度，能夠提高檢測的穩定性，該測力模塊具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高的優點。

附圖說明：

圖1為本實用新型所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件的結構示意圖；

圖2為圖1中第一音叉和第二音叉工作在面內彎曲振動模態的示意圖；

圖3為圖1中第一音叉和第二音叉表面的電極區示意圖；

圖4為圖3的左視圖；

圖5為圖1中施力結構件與施力槓桿適配的示意圖；

圖6為本實用新型所述一種測力模塊的結構示意圖。

圖中標記：

1、第一音叉，11、第一叉指，12、第二叉指，13、槽一，2、第二音叉，21、第三叉指，22、第四叉指，23、槽二，3、施力結構件，31、施力孔，4、底座，41、安裝孔，51、正電極區，52、負電極區，61、連接線，62、正極接口，63、負極接口，7、施力槓桿，8、載體，9、安裝槽。

具體實施方式

下面結合試驗例及具體實施方式對本實用新型作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本實用新型上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本實用新型內容所實現的技術均屬於本實用新型的範圍。

實施例1

如圖1所示，一種一體式雙石英音叉諧振敏感元件，包括施力結構件3，其中施力結構件3兩端分別設有第一音叉1和第二音叉2，第一音叉1和第二音叉2端部均設有便於安裝固定的底座4，其中第一音叉1包括連接在施力結構件3和底座4之間的第一叉指11和第二叉指12，第二音叉2包括連接在施力結構件3和底座4之間的第三叉指21和第四叉指22，且第一叉指11、第二叉指12、第三叉指21、第四叉指22對稱分別在施力結構件3兩端；第一叉指11、第二叉指12、第三叉指21和第四叉指22表面均塗覆有電極區；第一音叉1和第二音叉2工作在面內彎曲振動模態，諧振頻率對軸向拉應力、壓應力敏感；施力結構件3、第一音叉1、第二音叉2和底座4均為一體成型石英結構體。

如圖2所示，該一體式雙石英音叉諧振敏感元件沿軸向長度方向為Y軸方向，第一音叉1和第二音叉2的寬度方向為X軸方向，為了防止兩個音叉的振動模態互相干擾，位於第一音叉1和第二音叉2支架的施力結構件3的尺寸遠大於四個叉指(即第一叉指11、第二叉指12、第三叉指21和第四叉指22)的尺寸。另外，第一叉指11、第二叉指12端部連接在底座4上連接方式，以及第三叉指21和第四叉指22端部連接在底座4上的連接方式，均為採用與石英材料溫度係數相匹配的玻璃粉封接，此結構可使該諧振敏感元件材料間的熱性能匹配，而且玻璃粉作為膠粘劑不易失效。

上述第一叉指11和第二叉指12相互平行設置在施力結構件3上，第三叉指21和第四叉指22相互平行設置在施力結構件3上，能夠提高檢測精度。另外，第一叉指11和第二叉指12之間的槽一13長度短於第一叉指11和第二叉指12長度，第三叉指21和第四叉指22之間的槽二23長度短於第三叉指21和第四叉指22長度，以獲得該敏感元件的第一叉指11和第二叉指12滿足性能要求的彎曲剛度，以及第三叉指21和第四叉指22滿足性能要求的彎曲剛度。

如圖3、4所示，在第一叉指11一端和第二叉指12的一端通過導電連接線61連接，並且第一叉指11另一端和第二叉指12另一端分別連接正極接口62和負極接口63，第一叉指11和第二叉指12上均塗覆有電極區，從而第一叉指11和第二叉指12實現相互串聯；同理，第三叉指21和第四叉指22的一端通過導電連接線61連接，第三叉指21和第四叉指22的另一端分別設置正極接口62和負極接口63，以形成第一音叉1和第二音叉2為獨立的正負電極，可以採集對應的第一音叉1或第二音叉2的諧振頻率信號，最終形成差分結構；如在對第一叉指11和第二叉指12進行諧振頻率檢測並輸出時，只需要通過頻率檢測電路將正極接口62和負極接口63連通即可，連接方便可靠，提高了檢測效率。進一步的，可將連接第一叉指11和第二叉指12的導電連接線61設於施力結構件3上，連接第三叉指21和第四叉指22的導電連接線61也設於施力結構件3上；第一叉指11、第二叉指12、所述第三叉指21和第四叉指22上的所述正極接口62和負極接口63均設於底座4上，且均為金屬薄膜材質接口。

另外，為了提高第一音叉1和第二音叉2獨立正負電極電連通的可靠性，在第一叉指11、第二叉指12、第三叉指21和第四叉指22的四個表面均塗覆有電極區，且每個表面均塗覆的電極區為間隔分布的正電極區51和負電極區52，每個叉指相對的兩個表面相對正電極區51和負電極區52的位置相對分布，每個叉指相鄰的兩個表面的正電極區51和負電極區52交錯分布；第一叉指11與第三叉指21表面的電極區，以及第二叉指12和第四叉指22表面電極區，相對施力結構件3均為對稱分布，避免每個叉指的電極區形成短路。每個叉指上的正電極區51和負電極區52均為面電極的方式進行濺射鍍膜。

如圖5所示，該施力結構件3上還設有便於連接施力槓桿7的施力孔31，施力孔31採用端面三角形的通孔結構，施力孔31的三個角採用倒圓弧的設計避免應力集中，兩個底座4上設有用於安裝的安裝孔41。通過外部的施力槓桿7與施力結構件3的施力孔31適配，即外部三稜柱形狀的施力槓桿7置放如施力孔31中，三稜柱形狀的施力槓桿7的三個側面與施力孔31的內壁接觸，從而完成施力槓桿7與施力結構件3的相互連接，力通過施力槓桿7傳遞到施力結構件3上，進而傳遞給第一音叉1和第二音叉2。

該一體式雙石英音叉諧振敏感元件的工作原理是，在施力作用下，該一體式雙石英音叉諧振敏感元件將以一定的頻率振動，即當外力通過施力槓桿7作用在施力結構件3上時，施力結構件3的施力孔31的兩個側壁的形變使連接在兩端的第一音叉1和第二音叉2發生形變，其中第一音叉1和第二音叉2中的一個被壓縮，而另一個被拉伸，對應的一個音叉頻率增加，另一個音叉頻率減小，通過差頻的方式檢測整體頻率信號的變化量，達到力測量的目的，具體是通過分別檢測第一音叉1和第二音叉2的頻偏量，再求二者的頻偏量差值(其中每個音叉諧振器的頻偏量指的是每個音叉諧振器的實際頻率值相對於系統中參考諧振器的頻率)。

一體式雙石英音叉諧振敏感元件的第一音叉1和第二音叉2工作在面內彎曲振動模態，其諧振頻率對雙梁的軸向拉應力、壓應力(即拉應力和壓應力)敏感。其中，在軸向拉應力的作用下，其第一音叉1和第二音叉2振動頻率增加；反之，在軸向壓應力的作用下，其第一音叉1和第二音叉2的振動頻率降低。第一音叉1和第二音叉2的振動模態可以共存且相互獨立，每個振動模態都以其各自的諧振頻率振動，幾乎不會發生機械耦合，扭轉頻率和面內彎曲振動的模態、頻率均不同且完全互不幹擾。

本實用新型所述一體式雙石英音叉諧振敏感元件，採用施力結構件3、第一音叉1、第二音叉2和底座4均為微機工藝一體成型，且為石英結構體，第一音叉1和第二音叉2對稱設置在施力結構件3兩側，形成差動結構，有效解決現有的雙石英音叉諧振元件因分離元件安裝過程無法避免安裝精度和結構與材料間的應力問題，能夠避免不同材料組裝後導致的熱膨脹係數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響。該諧振敏感元件在使用時，只需要通過施力結構件3進行力的輸入，引起第一音叉1和第二音叉2的雙梁變形，可通過頻率檢測電路將第一音叉1和第二音叉2串聯形成迴路將諧振頻率分別輸出，將外力轉換為電信號，從而完成對力的數位化感應與測量；另外，由於該一體式雙石英音叉諧振敏感元件是通過檢測兩個音叉的諧振頻率差值來得到力的測量，能夠有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和解析度，能夠提高檢測的穩定性，該諧振敏感元件具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高等優點。

實施例2

如圖6所示，本實施例還提供了一種測力模塊，包括載體8，其中載體8上設有如實施例1中的一體式雙石英音叉諧振敏感元件，以及與該一體式雙石英音叉諧振敏感元件適配的施力槓桿7，該一體式雙石英音叉諧振敏感元件包括第一音叉1和第二音叉2，第一音叉1和第二音叉2端部均設有便於安裝固定的底座4，其中第一音叉1包括連接在施力結構件3和底座4之間的第一叉指11和第二叉指12，第二音叉2包括連接在施力結構件3和底座4之間的第三叉指21和第四叉指22，且第一叉指11、第二叉指12、第三叉指21、第四叉指22對稱分別在施力結構件3兩端；其中第一叉指11、第二叉指12之間電連接有第一電子振蕩迴路和第一頻率採集模塊，所述第三叉指21、第四叉指22之間電連接有第二電子振蕩迴路和第二頻率採集模塊。

其中，上述載體8上設有石英板安裝槽9，一體式雙石英音叉諧振敏感元件通過石英砂與石英板安裝槽9燒結在一起。通過石英砂將一體式雙石英音叉諧振敏感元件於載體8燒結在一起，能夠使一體式雙石英音叉諧振敏感元件更加穩固的連接在載體8上，使整個測力模塊的材料熱性能更加匹配，避免了通過現有膠粘劑連接而導致的在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，能夠提高測力模塊的檢測精度。

該測力模塊，包括用於安裝一體式雙石英音叉諧振敏感元件的載體8，載體8上設有施力槓桿7，同時，載體8上設有電連接第一叉指11、第二叉指12的第一電子振蕩迴路和第一頻率採集模塊，用於將第一叉指11和第二叉指12電導通以及輸出第一音叉1的諧振頻率，載體8上還設有電連接第三叉指21、第四叉指22的第二電子振蕩迴路和第二頻率採集模塊，用於將第三叉指21、第四叉指22電導通以及輸出第二音叉2的諧振頻率；該測力模塊能夠通過檢測兩個音叉的諧振頻率差值來完成力的感應與測量，有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和解析度，能夠提高檢測的穩定性，該測力模塊具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高的優點。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。